基于黑龙江乌云站凌汛洪水预报方法

郭 锋

(黑河水文局，黑龙江 黑河164300)

冰冻是寒冷地区普遍存在的一种自然现象，冰情是指河流从初冬季节出现浮冰、形成冰盖至结冰体消融全过程的水文情势［1］。凌汛是指河道里的冰凌对水流的阻力和春季降雨、融雪共同作用而出现的涨水现象。河流中的冰凌不仅直接影响到航运、交通、发电、给排水等水利工程建设，而且当冰凌严重阻塞河道时，往往会导致洪水泛滥成灾，给人民生命财产带来重大损失。黑龙江干流面临两类洪水的威胁，即暴雨洪水和凌汛洪水。凌汛洪水突发性较强、涨势猛、而且冰凌运行规律较难掌握，产生的灾害有时更甚于暴雨洪水。因此，加强对凌汛洪水的研究，做好凌汛期洪水预报，为当地防凌、防汛提供及时准确的信息服务具有重要意义。

1 测站概况和冰情特征

1.1 测站概况

乌云站为黑龙江干流中游水位控制站，位于黑龙江右岸嘉荫县乌云镇。该站断面以上河长1 199 km，至河口距离1 641 km，集水面积8.38 ×104km2。测站上游左岸25 km处有布列亚江汇入，右岸80 km处有库尔滨河汇入，下游右岸50 km处有乌云河汇入，河流左岸在俄罗斯境内。该站属大陆性季风气候，特点是春天较晚多大风，夏季较短而湿热，秋季降温快、霜来早，冬季严寒而漫长，历年平均气温为－1.3 ℃，平均无霜期115 d。

1.2 冰情特征

该站处于中高纬度地区，受气候影响，河流每年出现明显的冰情现象。乌云站断面河流初冰期在10月下旬;秋季流冰期约25 d;封河期在12月上旬;全年封冻天数约140 d;解冻期为4月下旬; 春季流冰期约10 d; 终冰( 畅流)日期在5月上旬。该站实测最大岸边冰厚1.61 m; 最大冰上雪深0.55 m; 实 测 最 大 面 积 流 冰 块 长 40 m，宽 25 m，冰速0.85 m/s。

2 凌汛洪水特征与成因分析

黑龙江乌云站凌汛洪水过程一般在4月下旬—5月下旬，凌汛期洪水可分为3 种类型，即: 融冰、融雪洪水，冰塞洪水和冰坝洪水。融冰、融雪洪水常因上游河段河水溶解，槽蓄水量释放，引起沿程洪峰不断增大而形成的洪水。冰塞洪水是指在河流封冻期冰花和碎冰块局部堵塞冰盖下面的过水断面，使上游水位雍高而形成的洪水。冰坝洪水是指河道在流冰期流冰体遇阻堆积形成冰坝以后，严重阻塞河道过水断面，使上游水位抬高而形成的洪水。冰塞和冰坝洪水的大小主要取决于冰塞程度和冰坝体积的大小以及维持时间的长短。一般来讲冰塞洪水历时较长，冰坝洪水涨率较大。凌汛期灾害性洪水总体成因主要有以下3个方面:

2.1 气温影响

由于气温的作用有时会导致开河时上游段对比下游段气温偏高，由于上游冰层溶解较快，下游冰层溶解较慢，下游河段就有可能出现来水量过大无法及时下泄，而在部分河段出现冰塞或冰坝的现象，雍高水位形成凌汛洪水。

2.2 河道形态影响

河道内如存在多处上宽下窄的形态，就容易引起槽蓄水量的上多下少和排洪能力的上大下小，河水极易遇阻成灾。在河道的浅滩地段，较大冰块可能因遇阻而拦截水流，逐渐堆积形成冰塞甚至冰坝，导致洪水漫溢成灾。该站自有监测记录以来，并无较大规模冰塞、冰坝冰情现象发生，因此冰塞、冰坝引起的凌汛洪水对该地区威胁较小。

2.3 降雨、融雪影响

由于流域冬季土壤处于冻结状态，春季虽稍有融化但浅层土壤内存在大面积不透水层，此时土壤下渗能力极低，遇较强降雨时土壤含水层会迅速达到饱和状态，流域产流量明显大于畅流期。流域冬季积雪较厚，平均厚度约25 cm，春季气温回升时导致积雪融化，加上降雨影响容易形成融雪径流，该站历年的凌汛洪水主要由春季降雨和融雪径流形成。

3 凌汛洪水预报方法

黑龙江在每年11月—次年3月这一时期进入冬季枯水期。冬季由于河流封冻，径流靠地下水补给，4月以后气温明显升高，流域积雪融化和河流解冻形成凌汛，形成每年一次的凌汛洪水，有时凌汛洪峰水位即为全年最高水位。本文凌汛洪水预报目标对象主要是指正常情况下由春季降雨、融雪径流形成的洪水，预见期约30 d，属中长期洪水预报。由冰塞和冰坝现象形成的凌汛洪水，因发生概率低且突发性强，目前暂无较长预见期的预报方法，主要靠及时的水文情报来预警。

由于河流冰情现象的复杂性和对相应影响因素观测手段的限制，以及预报对象与预报因子间并无确定的函数关系，所以凌汛预报主要采用经验相关分析法和统计回归分析法［2］。本文采用建立多元线性回归方程模型法来预报该站凌汛洪峰水位，该方法预报结果唯一，模型参数易于更新，避免了经验相关图法因人而异、主观性强、相关因子较少和数据点据更新困难等弊端。

模型数学方程参数率定和预报精度评价。凌汛洪水一般与河段去冬今春降水量、开河时上游来水、融冰、融雪径流量、气温、水温以及开河形势有关［2］。根据黑龙江乌云站和其上游奇克站1981—2010年冰期实测数据，经过优选，最终选用乌云站4月份平均水温( x1i) 、11月至次年4月乌云站与奇克站平均降雪量( x2i) 、封冻期最大河心冰厚( x3i) 和最大冰上雪深( x4i) ，奇克站4月份平均水位( x5i) 等5 项相关参数与乌云站实测凌汛最高水位( Hi) 建立线性相关关系，组成预报方程模型:

式中: a、b、c、d、e 为方程系数，f 为常数项，i 表示年份。用参数率定软件求出方程系数和常数项，得到预报方程为:

方程历史拟合与检验结果见附表。对于预报要素属数值类型的预报结果取预报要素在预见期内实测变幅的20%作为允许误差标准［2］。由表1 可见，在30个点据中，合格点据有19个，合格率为63.3%，达到丙级预报方案精度标准［2］。

4 结 语

由于凌汛洪水成因复杂，影响因素较多，因资料获取范围和理论认识深度限制，本文所选用模型数学方程历史拟合精度不是很高，模型参数还有待完善和增加，模型结构也有待进一步更新。河流冰情现象具有较大的地域差异性，同一江河的不同河段、同一河段的不同时间内的凌汛洪水在其类型、成因、发生时间、洪水特征等方面，均有不同表现。随着江河治理与开发，将在一定程度上改变江河凌汛洪水形成的动力、热力与边界条件，直接影响了部分河段凌汛形成规律，甚至出现新的凌汛问题。因此，为适应社会与经济发展需要，应加强对凌汛形成规律和凌汛洪水预报工作的研究。

表1 黑龙江乌云站凌汛洪峰水位预报模型历史拟合与检验精度统计表

［1］李慧珑. 水文预报［M］. 北京:水利电力出版社，1993.

［2］水利部水利信息中心. SL250—2000 水文情报预报规范［S］. 北京:中国水利水电出版社，2000.